FR2847745A1 - Mobile telephone third order non linearity reduction having resonant circuit reducing tone intermodulation test used and reducing second order supplementary harmonics - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé de réduction de la non-linéarité d'ordre trois d'un transistorMethod for reducing the third order non-linearity of a transistor
d'un étage amplificateur radiofréquence et étage correspondant. a radio frequency amplifier stage and corresponding stage.
L'invention concerne les étages d'amplification The invention relates to amplification stages
radiofréquence, et plus particulièrement la réduction de leur nonlinéarité d'ordre trois. radio frequency, and more particularly the reduction of their third order non-linearity.
L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement aux composants de systèmes de communication sans fil, par exemple des téléphones mobiles cellulaires, par exemple ceux régis par la norme GSM qui utilise une modulation à enveloppe constante, ou encore ceux régis par la norme WCDMA qui utilise une The invention is advantageously but not limited to components of wireless communication systems, for example cellular mobile phones, for example those governed by the GSM standard which uses constant envelope modulation, or those governed by the WCDMA standard. who uses a
modulation à enveloppe non constante. non-constant envelope modulation.
Les transistors étant des dispositifs non linéaires, une intermodulation se traduit par l'apparition de raies d'intermodulation dans le canal de communication, provoquant une dégradation du Since the transistors are non-linear devices, intermodulation results in the appearance of intermodulation lines in the communication channel, causing degradation of the
rapport signal/bruit, ou bien une erreur de trajectoire de phase. signal-to-noise ratio, or else a phase path error.
Cette intermodulation peut se traduire en réception ou en émission par la valeur en dBm, d'un point d'interception d'ordre 3 (IP3) selon une dénomination bien connue de l'homme du métier. Plus la valeur de ce point est élevée, plus l'intermodulation et par conséquent la non-linéarité d'ordre 3, est faible, et par conséquent This intermodulation can result in reception or transmission by the value in dBm, of an order 3 interception point (IP3) according to a name well known to those skilled in the art. The higher the value of this point, the lower the intermodulation and consequently the non-linearity of order 3, and therefore
meilleure est la réception ou l'émission. the better the reception or broadcast.
On rappelle ici que lorsqu'on applique deux signaux ou tons ayant la même amplitude et des fréquences différentes à un dispositif non linéaire, tel qu'un simple transistor polarisé idéalement par une inductance de choc, on obtient, dans le signal de sortie, deux termes de distorsion harmonique ayant des fréquences respectivement égales au double des fréquences des deux signaux d'entrée, et deux termes de distorsion harmonique ayant des fréquences respectivement égales au It will be recalled here that when two signals or tones having the same amplitude and different frequencies are applied to a nonlinear device, such as a simple transistor ideally polarized by a shock inductance, there are obtained in the output signal two terms of harmonic distortion having frequencies respectively equal to twice the frequencies of the two input signals, and two terms of harmonic distortion having frequencies respectively equal to
triple des fréquences des signaux d'entrée. triple the frequencies of the input signals.
On obtient, par ailleurs, deux composantes d'intermodulation d'ordre 2 (IMD2), ayant respectivement des fréquences égales à la One obtains, moreover, two intermodulation components of order 2 (IMD2), having respectively frequencies equal to the
somme et à la différence des fréquences des deux signaux d'entrée. sum and unlike the frequencies of the two input signals.
On obtient encore quatre composantes d'intermodulation We still get four intermodulation components
d'ordre 3 (IMD3), respectivement égales à 2fA+fB, fA+2fB, 2fA-fB, 2fBfA, O fA et fB désignent les fréquences des deux signaux d'entrée. of order 3 (IMD3), respectively equal to 2fA + fB, fA + 2fB, 2fA-fB, 2fBfA, O fA and fB designate the frequencies of the two input signals.
Les quatre composantes d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3) sont représentatives de la non-linéarité d'ordre 3 et par conséquent du The four order 3 intermodulation components (IMD3) are representative of order 3 non-linearity and therefore of the
point d'interception d'ordre 3 (IP3). interception point of order 3 (IP3).
Lorsque les fréquences fA et fB sont proches du canal de transmission utile, la composante d'intermodulation d'ordre 3 dont la fréquence est égale à 2fB-fA, peut se situer dans la bande utile du When the frequencies fA and fB are close to the useful transmission channel, the intermodulation component of order 3 whose frequency is equal to 2fB-fA, can be located in the useful band of the
signal et peut par conséquent perturber ce signal. signal and may therefore interfere with that signal.
On sait, par ailleurs, que l'intermodulation d'ordre 3 peut être dégradée en raison de la présence de contre-réaction basse fréquence de type fA+fB, qui conduit à une recombinaison parasite supplémentaire entre la composante d'intermodulation d'ordre 2 dont la fréquence est égale à la différence des fréquences des deux signaux d'entrée, et We also know that order 3 intermodulation can be degraded due to the presence of low frequency feedback of type fA + fB, which leads to additional parasitic recombination between the order intermodulation component. 2 whose frequency is equal to the difference of the frequencies of the two input signals, and
l'une ou l'autre des fréquences des deux signaux d'entrée. either of the frequencies of the two input signals.
Aussi, a-t-il été proposé, dans un article de Keng Leong Fong, intitulé " High-Frequency Analysis of Linearity Improvement Technique of CommonEmitter Transconductance Stage Using a Low20 Frequency-Trap Network ", IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Volume 35, N08, Aot 2000, d'utiliser un filtre " trappe " accordé à la fréquence d'écartement des tons utilisés pour un test d'intermodulation. En d'autres termes, si les deux tons ont une fréquence égale à f1 et f2, le filtre " trappe " utilisé est alors accordé à la fréquence fl-f2, et vise par conséquent à augmenter le point d'interception d'ordre 3 en diminuant la composante d'intermodulation d'ordre 2 dont la fréquence est égale à l'espacement fréquentiel des Also, it was proposed, in an article by Keng Leong Fong, entitled "High-Frequency Analysis of Linearity Improvement Technique of CommonEmitter Transconductance Stage Using a Low20 Frequency-Trap Network", IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Volume 35, N08, August 2000, to use a "trap" filter tuned to the frequency of spacing of the tones used for an intermodulation test. In other words, if the two tones have a frequency equal to f1 and f2, the "trap" filter used is then tuned to the frequency fl-f2, and consequently aims to increase the interception point of order 3 by decreasing the intermodulation component of order 2 whose frequency is equal to the frequency spacing of
deux tons.two tones.
Cependant, le réseau résistif-inductif-capacitif de filtrage " trappe ", accordé à des fréquences comprises entre 100 KHz et 10 MHz suivant les normes de transmission utilisées, et placé en parallèle du circuit de polarisation, est obligatoirement réalisé à l'extérieur du circuit intégré, ce qui représente un inconvénient majeur pour cette technique. L'invention propose une solution radicalement différente de celle existant jusqu'à maintenant, pour réduire la non-linéarité d'ordre 3 d'un étage amplificateur, c'est-à-dire pour diminuer l'IMD3 et par However, the resistive-inductive-capacitive "trap" filtering network, tuned to frequencies between 100 KHz and 10 MHz depending on the transmission standards used, and placed in parallel with the polarization circuit, is necessarily carried out outside the integrated circuit, which represents a major drawback for this technique. The invention proposes a solution radically different from that existing up to now, to reduce the non-linearity of order 3 of an amplifier stage, that is to say to reduce the IMD3 and by
conséquent augmenter le point d'interception d'ordre 3 (IP3). therefore increase the interception point of order 3 (IP3).
A cet égard, l'invention part de l'observation que des contreréactions parasites autour du transistor introduisent une perturbation supplémentaire de type fA-fB au niveau de l'IMD3, en raison de la recombinaison entre les fréquences 2f1 et f2 ou 2f2 et fl, f1 et f2 désignant les fréquences des deux tons présents à l'entrée du transistor In this regard, the invention starts from the observation that parasitic counter-reactions around the transistor introduce an additional disturbance of the fA-fB type at the IMD3 level, due to the recombination between the frequencies 2f1 and f2 or 2f2 and fl , f1 and f2 designating the frequencies of the two tones present at the input of the transistor
associé à sa polarisation réelle. associated with its real polarization.
L'invention propose donc un procédé de réduction de nonlinéarité d'ordre trois d'un transistor d'un étage amplificateur radiofréquence, dans lequel on réduit la composante harmonique d'ordre deux égale au double de la fréquence de l'un ou l'autre de deux tons prédéterminés par exemple utilisés dans un test The invention therefore proposes a method for reducing non-linearity of order three of a transistor of a radiofrequency amplifier stage, in which the harmonic component of order two is reduced equal to twice the frequency of one or the other of two predetermined tones for example used in a test
d'intermodulation prédéterminé.of predetermined intermodulation.
Ainsi, selon l'invention, on réduit l'intermodulation d'ordre 3 (IMD3) en évitant les recombinaisons supplémentaires de type fA-fB en Thus, according to the invention, the order 3 intermodulation (IMD3) is reduced by avoiding additional recombinations of the fA-fB type by
agissant sur les produits harmoniques d'ordre 2 (H2). acting on harmonic products of order 2 (H2).
A titre indicatif, la fréquence d'écartement des tons dans le cas d'une réponse à des tests d'intermodulation à deux tons utilisés pour un système de transmission régi par la norme GSM, se situe aux alentours de 800 KHz. On pourra donc, par exemple, utiliser un premier ton ayant une fréquence égale à 1,85 GHz, et un deuxième ton As an indication, the tone spacing frequency in the case of a response to two-tone intermodulation tests used for a transmission system governed by the GSM standard, is around 800 KHz. We can therefore, for example, use a first tone having a frequency equal to 1.85 GHz, and a second tone
égal à 1,85 GHz + 800 KHz.equal to 1.85 GHz + 800 KHz.
Dans le cas d'un système de communication utilisant une modulation régie par la norme WCDMA, la fréquence d'écartement des In the case of a communication system using a modulation governed by the WCDMA standard, the spacing frequency of the
tons dans le cas d'un test d'intermodulation est de l'ordre de 10 MHz. tones in the case of an intermodulation test is of the order of 10 MHz.
Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on connecte sur l'émetteur de transistor un filtre " trappe " destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double According to an embodiment of the method according to the invention, a "trap" filter is connected to the transistor emitter intended to filter harmonic products having a frequency equal to twice
de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. either of the frequencies of the two tones.
Plus précisément, on connecte par exemple sur l'émetteur de transistor un circuit résonant accordé sur la somme des fréquences prédéterminées des deux tons. Bien que l'on ait choisi préférentiellement un accord sur la fréquence centrale fl+f2, on aurait More precisely, for example, a resonant circuit tuned to the sum of the predetermined frequencies of the two tones is connected to the transistor emitter. Although we preferentially chose an agreement on the central frequency fl + f2, we would have
pu choisir un circuit résonant accordé sur la fréquence 2f1 ou 2f2. could choose a resonant circuit tuned on the frequency 2f1 or 2f2.
Ce circuit résonant, en pratique et de préférence inductif5 capacitif, agit ainsi comme un filtre destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre This resonant circuit, in practice and preferably inductive5 capacitive, thus acts as a filter intended to filter the harmonic products having a frequency equal to double one or the other.
des fréquences des deux tons.frequencies of the two tones.
L'invention a également pour objet un étage amplificateur radiofréquence, comportant un transistor et des moyens de réduction connectés au transistor et aptes à réduire la non-linéarité d'ordre trois The subject of the invention is also a radiofrequency amplifier stage, comprising a transistor and reduction means connected to the transistor and capable of reducing the third order non-linearity
du transistor.of the transistor.
Selon une caractéristique générale de l'invention, les moyens de réduction sont aptes à réduire la composante harmonique d'ordre deux égale au double de la fréquence de l'un ou l'autre de deux tons prédéterminés par exemple utilisés dans un test d'intermodulation According to a general characteristic of the invention, the reduction means are capable of reducing the harmonic component of order two equal to twice the frequency of one or the other of two predetermined tones for example used in a test of intermodulation
pré déterminé.pre determined.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de réduction comportent un filtre " trappe " connecté sur l'émetteur du transistor et destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. Le filtre " trappe " comporte par exemple un circuit résonant According to one embodiment of the invention, the reduction means comprise a "trap" filter connected to the emitter of the transistor and intended to filter the harmonic products having a frequency equal to twice one or the other of the frequencies of the two tones. The "trap" filter comprises for example a resonant circuit
accordé sur la somme des fréquences prédéterminées des deux tons. tuned to the sum of the predetermined frequencies of the two tones.
L'étage est avantageusement réalisé sous la forme d'un circuit The stage is advantageously produced in the form of a circuit
intégré.integrated.
L'invention vise également un composant d'un système de communication sans fil, par exemple un téléphone mobile cellulaire, incorporant un étage amplificateur, par exemple un étage amplificateur The invention also relates to a component of a wireless communication system, for example a cellular mobile telephone, incorporating an amplifier stage, for example an amplifier stage
faible bruit tel que défini ci-avant. low noise as defined above.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention Other advantages and characteristics of the invention
apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise will appear on examination of the detailed description of betting methods
en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 illustre un étage amplificateur selon l'art antérieur, polarisé idéalement par une inductance de choc; et -la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un étage amplificateur selon l'invention, permettant une mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure 1, la référence LNA désigne un étage amplificateur radiofréquence, comportant un transistor amplificateur Q1, ici un transistor bipolaire, dont le collecteur est relié à la tension d' alimentation VDD par l'intermédiaire d'une charge radiofréquence, in work and implementation, in no way limiting, and the appended drawings, in which: FIG. 1 illustrates an amplifier stage according to the prior art, ideally biased by a shock inductance; and FIG. 2 illustrates an embodiment of an amplifier stage according to the invention, allowing an implementation of the method according to the invention. In FIG. 1, the reference LNA designates a radiofrequency amplifier stage, comprising an amplifier transistor Q1, here a bipolar transistor, the collector of which is connected to the supply voltage VDD by means of a radiofrequency load,
non représentée ici à des fins de simplification. not shown here for simplification.
Par ailleurs, l'émetteur du transistor amplificateur Q1 est relié Furthermore, the emitter of the amplifier transistor Q1 is connected
à la masse par une impédance inductive Le. to ground by an inductive impedance Le.
Un circuit de polarisation, représenté ici par une inductance (ou self) de choc L, associée à une tension de polarisation VBIAS, est A bias circuit, represented here by a shock inductance (or inductor) L, associated with a bias voltage VBIAS, is
connecté dans l'exemple décrit ici sur la base du transistor QI. connected in the example described here on the basis of the QI transistor.
Le signal radiofréquence à amplifier, représenté par la tension Ve, est reçu sur une entrée radiofréquence et est délivré sur la base du The radiofrequency signal to be amplified, represented by the voltage Ve, is received on a radiofrequency input and is delivered on the basis of the
transistor Q1 par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation ZA. transistor Q1 via an adaptation network ZA.
D'une façon générale, l'étage radiofréquence, selon l'invention, peut fonctionner aussi bien dans une chaîne d'émission que dans une chaîne de réception, et en particulier dans les chaînes d'émission et/ou de réception des terminaux distants, tel qu'un téléphone mobile cellulaire TP, appartenant à un système de communication sans fil, et ce, quelle que soit la norme de transmission In general, the radio frequency stage according to the invention can operate both in a transmission chain and in a reception chain, and in particular in the transmission and / or reception chains of remote terminals , such as a TP cellular mobile telephone, belonging to a wireless communication system, regardless of the transmission standard
utilisée, par exemple la norme GSM ou bien la norme WCDMA. used, for example the GSM standard or the WCDMA standard.
Ainsi, à titre indicatif, un tel étage peut être incorporé au sein d'un amplificateur faible bruit LNA, présent en tête d'une chaîne de réception. En émission, l'étage amplificateur selon l'invention peut faire partie d'un préamplificateur de puissance ou d'un amplificateur de puissance, le transistor bipolaire Q1 pouvant être alors un transistor MOS. En présence de deux signaux d'entrée, d'égale amplitude, et ayant des fréquences fA et fB, comme par exemple des signaux ou tons utilisés dans un test d'intermodulation à deux tons, le spectre fréquentiel du signal de sortie comporte, deux termes de distorsions harmoniques ayant comme fréquence 2fA et 2fB, et deux composantes d'intermodulation d'ordre 2 (IMD2), ayant respectivement comme fréquence fA+fB et fA-fB* Par ailleurs, le spectre comporte également deux termes de distorsions harmoniques ayant comme fréquence 3MA et 3MB (non représentés à des fins de simplification sur la partie basse de la figure 1), et quatre composantes d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), ayant respectivement comme fréquence 2fA+fB, fA+2fB, 2fA-fB, et 2fB-fA* Sur la figure 1, seules les composantes 2fB-fA et 2fAfB sont représentées. Dans l'exemple décrit, la composante d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), ayant comme fréquence 2fB-fA, est celle qui se situe dans le canal de transmission désiré DCH du téléphone mobile, ou en Thus, by way of indication, such a stage can be incorporated within an LNA low noise amplifier, present at the head of a reception chain. In transmission, the amplifier stage according to the invention can be part of a power preamplifier or of a power amplifier, the bipolar transistor Q1 then being able to be a MOS transistor. In the presence of two input signals, of equal amplitude, and having frequencies fA and fB, such as for example signals or tones used in a two-tone intermodulation test, the frequency spectrum of the output signal comprises, two terms of harmonic distortions having as frequency 2fA and 2fB, and two intermodulation components of order 2 (IMD2), having as frequency fA + fB and fA-fB * In addition, the spectrum also includes two terms of harmonic distortions having as frequency 3MA and 3MB (not shown for simplification in the lower part of FIG. 1), and four intermodulation components of order 3 (IMD3), having frequency 2fA + fB, fA + 2fB, 2fA respectively -fB, and 2fB-fA * In Figure 1, only the components 2fB-fA and 2fAfB are shown. In the example described, the order 3 intermodulation component (IMD3), having the frequency 2fB-fA, is that which is located in the desired transmission channel DCH of the mobile telephone, or in
d'autres termes dans la bande fréquentielle du signal utile. other terms in the frequency band of the wanted signal.
Il a été observé que les contre-réactions parasites d'ordre deux du transistor introduisaient une intermodulation supplémentaire, du type fAfB entre les fréquences 2f1 et f2 ou entre les fréquences 2f2 et f1, o f1 et f2 désignent les fréquences des deux tons présents à l'entrée de l'étage amplificateur LNA selon l'invention et illustré sur la figure 2. Aussi, l'invention propose-t-elle de réduire la non-linéarité d'ordre 3 de l'étage amplificateur, c'est-à-dire l'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), en réduisant la composante harmonique d'ordre deux égale au double de la fréquence de l'un ou l'autre des deux tons It has been observed that the parasitic second order feedbacks of the transistor introduce an additional intermodulation, of the fAfB type between the frequencies 2f1 and f2 or between the frequencies 2f2 and f1, where f1 and f2 denote the frequencies of the two tones present at the input of the amplifier stage LNA according to the invention and illustrated in FIG. 2. Also, the invention proposes to reduce the non-linearity of order 3 of the amplifier stage, that is to say i.e. intermodulation of order 3 (IMD3), by reducing the harmonic component of order two equal to twice the frequency of one or the other of the two tones
présents à l'entrée du transistor Qj. present at the input of transistor Qj.
A cet effet, selon un mode de réalisation de l'invention, illustré sur la partie haute de la figure 2, on connecte sur l'émetteur du transistor Q1 un circuit résonant, généralement formé de l'inductance Le associée à un condensateur Ce connecté en parallèle sur cette To this end, according to an embodiment of the invention, illustrated in the upper part of FIG. 2, a resonant circuit, generally formed by the inductance Le associated with a connected capacitor Ce, is connected to the emitter of transistor Q1 in parallel on this
inductance Le.inductance Le.
Ce circuit résonant CRT est accordé sur la fréquence fl+f2 et il agit comme un filtre " trappe " destiné à filtrer les produits This resonant circuit CRT is tuned to the frequency fl + f2 and it acts as a "trap" filter intended to filter the products
harmoniques ayant une fréquence égale à 2f1 ou 2f2. harmonics with a frequency equal to 2f1 or 2f2.
De ce fait, comme illustré sur la partie basse de la figure 2, les composantes 2fl, f1+f2 et 2f2 sont réduites. Par conséquent, l'intermodulation d'ordre 3 (IMD3) résultant de la combinaison de ces fréquences avec les fréquences f1 ou f2 s'en trouve réduite d'une valeur égale à AIMD3 par rapport à un étage Therefore, as illustrated in the lower part of Figure 2, the components 2fl, f1 + f2 and 2f2 are reduced. Consequently, the intermodulation of order 3 (IMD3) resulting from the combination of these frequencies with the frequencies f1 or f2 is reduced by a value equal to AIMD3 compared to a stage
amplificateur de l'art antérieur.amplifier of the prior art.
A titre d'exemple, pour un test d'intermodulation d'ordre 2 utilisé dans la norme GSM, dans laquelle la fréquence d'écartement des tons est égale à 800 KHz, la fréquence f1 est égale à 1,85 GHz et la For example, for a second order intermodulation test used in the GSM standard, in which the tone spacing frequency is equal to 800 KHz, the frequency f1 is equal to 1.85 GHz and the
fréquence f2 est égale à 1,85 GHz + 800 KHz. frequency f2 is equal to 1.85 GHz + 800 KHz.
Avec une puissance d'entrée des tons égale à -49 dBm et un circuit résonant accordé sur la fréquence de 3,7 GHz, on obtient une With a tone input power equal to -49 dBm and a resonant circuit tuned to the frequency of 3.7 GHz, we obtain a
augmentation du point d'intersection d'ordre 3 (IP3) de 4 dB. increase of the point of intersection of order 3 (IP3) by 4 dB.
D'une façon générale, l'ensemble " réseau d'adaptation ZA, transistor QI, circuit résonant CRT " ne doit pas osciller. Une façon de garantir cette non-oscillation consiste à avoir la somme de la partie réelle de l'impédance du circuit d'adaptation ZA et de la partie réelle In general, the whole "adaptation network ZA, transistor QI, resonant circuit CRT" must not oscillate. One way of guaranteeing this non-oscillation consists in having the sum of the real part of the impedance of the adaptation circuit ZA and the real part
de l'impédance d'entrée du transistor, toujours positive. of the transistor input impedance, always positive.
Dans le cas o l'impédance du réseau d'adaptation ZA est parfaitement connue dans le spectre fréquentiel envisagé, on ajustera la valeur de Ce, de façon à obtenir un circuit résonant accordé à la In the case where the impedance of the matching network ZA is perfectly known in the frequency spectrum envisaged, the value of Ce will be adjusted, so as to obtain a resonant circuit tuned to the
somme des fréquence des deux tons.sum of the frequencies of the two tones.
Par contre, dans le cas o cette impédance du circuit de réseau d'adaptation n'est pas parfaitement connue, il est alors préférable de connecter en série avec le condensateur Ce, une résistance Rei comme illustré en pointillés sur la partie haute de la figure 1, pour éviter tout On the other hand, in the case where this impedance of the matching network circuit is not perfectly known, it is then preferable to connect in series with the capacitor Ce, a resistor Rei as illustrated in dotted lines in the upper part of the figure. 1, to avoid any
risque d'oscillation.risk of oscillation.
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2002
- 2002-11-27 FR FR0214893A patent/FR2847745A1/en active Pending
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